Esercizi: Proprietà delle sostanze in base al legame

Il sale da cucina fonde a $801\ \celsius$: bisogna riscaldarlo moltissimo per fonderlo. Un frammento del suo reticolo cristallino è mostrato nella figura.

Spiega, a partire dal suo legame ionico e dalla sua struttura a reticolo cristallino, perché il punto di fusione di $\text{NaCl}$ è così alto.

L'acqua bolle a $100\ \celsius$, mentre il sale fonde a $801\ \celsius$.

1. a) Indica che struttura ha ciascuna sostanza: molecole o reticolo cristallino?
2. b) Spiega, a partire da questa differenza strutturale, perché l'acqua cambia stato a una temperatura molto più bassa del sale.

I cavi delle case sono di rame, un solido che conduce la corrente. Il modello del mare di elettroni è mostrato nella figura.

Spiega, usando il modello del mare di elettroni, perché il rame conduce l'elettricità allo stato solido, a differenza di un pezzo di sale.

Le punte per perforare la roccia hanno inserti di diamante, il materiale naturale più duro che si conosca. Un frammento del suo reticolo covalente è mostrato nella figura.

Spiega, a partire dal suo reticolo covalente tridimensionale, perché il diamante è così duro.

Un cristallo di sale non conduce la corrente, ma se lo fondi o lo sciogli in acqua, conduce.

1. a) Spiega che cosa succede agli ioni in ciascuna delle tre situazioni.
2. b) Quale condizione devono soddisfare delle particelle cariche per poter trasportare la corrente elettrica?

In cucina, il sale scompare quando lo mescoli nell'acqua, ma l'olio forma gocce e non si mescola.

1. a) Spiega, in base al tipo di legame e alle interazioni che si stabiliscono con l'acqua, perché il sale da cucina (NaCl) si scioglie in acqua.

1. b) Ragiona, con la regola «il simile scioglie il simile», sul perché l'olio non si scioglie in acqua.

La «mina» di una matita è di grafite: quando si scrive, gli strati di carbonio scivolano uno sull'altro e si staccano sulla carta. La struttura a strati è mostrata nella figura.

1. a) Spiega, a partire dalla sua struttura a strati, perché la grafite è tenera e lascia il segno.
2. b) Che tipo di forze uniscono gli strati tra loro? Confrontale con i legami all'interno di ciascuno strato.

La foglia d'oro usata nella decorazione è costituita da lamine di oro sottilissime ottenute battendo il metallo. Spiega, con il modello del legame metallico, perché i metalli si deformano quando vengono colpiti invece di rompersi, come farebbe invece un cristallo di sale.

Monti un circuito con una pila, una lampadina e due elettrodi per provare la conducibilità del sale. Il montaggio è mostrato nella figura.

1. a) Prevedi che cosa osserverai ponendo sale da cucina solido tra gli elettrodi e spiega il risultato.
2. b) Ripeti la previsione sciogliendo prima il sale in acqua.
3. c) Che ruolo ha la mobilità degli ioni nella differenza dei risultati?

$\text{NaCl}$ fonde a $801\ \celsius$ e $\text{MgO}$ a $2852\ \celsius$, ed entrambi sono cristalli ionici con la stessa struttura. I punti di fusione sono confrontati nella figura.

1. a) Indica le cariche degli ioni di ciascun composto.
2. b) Spiega, confrontando queste cariche, perché l'attrazione elettrostatica è molto maggiore in $\text{MgO}$.
3. c) Collega questa attrazione al suo punto di fusione altissimo: $\text{MgO}$ viene infatti usato per rivestire l'interno dei forni industriali.

A $20\ \celsius$ si possono sciogliere fino a $36\ \text{g}$ di $\text{NaCl}$ ogni $100\ \text{g}$ di acqua, ma solo $0,0002\ \text{g}$ di $\text{AgCl}$.

1. a) Calcola quanti grammi di sale da cucina si possono sciogliere, al massimo, in $250\ \text{g}$ di acqua a $20\ \celsius$.
2. b) Spiega, aiutandoti con un disegno sul quaderno, come le molecole d'acqua circondano e separano gli ioni quando il sale si scioglie (idratazione degli ioni).
3. c) Concludi perché affermare che «le sostanze ioniche si sciolgono in acqua» è solo un'approssimazione.

Le linee ad alta tensione sono di alluminio e i cavi domestici di rame; le loro densità sono rispettivamente $2,70\ \text{g/cm}^3$ e $8,96\ \text{g/cm}^3$.

1. a) Spiega perché entrambi i metalli conducono la corrente elettrica.
2. b) Ragiona, usando le densità, quale vantaggio presenta stendere chilometri di cavo di alluminio sospeso ai tralicci.
3. c) A parità di sezione il rame conduce meglio dell'alluminio: ragiona su che cosa conviene di più all'interno di una parete, dove il peso non conta.

Diamante e grafite sono carbonio puro, ma le loro proprietà sono quasi opposte: il diamante è durissimo e non conduce l'elettricità; la grafite è tenera e conduce. Le due strutture sono confrontate nella figura.

1. a) Spiega la differenza di durezza a partire dalla struttura di ciascuno.
2. b) Spiega la differenza di conducibilità elettrica.
3. c) Ragiona sul perché la grafite lascia il segno sulla carta mentre il diamante, invece, riga il vetro.

La sabbia della spiaggia è silice, $\text{SiO}_2$: dura, non conduce l'elettricità e fonde a $1710\ \celsius$.

1. a) Deduci, a partire da queste proprietà, che tipo di legame e che struttura ha la silice.
2. b) $\text{CO}_2$, con lo stesso tipo di legame covalente, è un gas a temperatura ambiente: spiega come è possibile.
3. c) Ragiona sul perché la sabbia serve come materia prima per fabbricare il vetro e $\text{CO}_2$ non potrebbe servire.

Un cristallo di sale si spacca nettamente se colpito con un martello, mentre una lamina di rame si ammacca soltanto.

1. a) Disegna sul quaderno due strati di ioni e spiega che cosa succede quando uno strato del reticolo ionico scivola sull'altro: quali segni di carica si ritrovano affacciati?
2. b) Confronta quanto sopra con ciò che accade nel metallo quando i suoi strati di cationi scivolano.
3. c) Concludi perché diciamo che i sali sono «fragili» e i metalli «malleabili».

Puoi svolgerlo su carta e inviare una foto con la tua risposta.

L'acqua distillata conduce appena la corrente, quella del rubinetto conduce un poco e l'acqua di mare molto.

1. a) Spiega quali particelle trasportano la corrente nell'acqua del rubinetto e da dove provengono ($\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Na}^{+}$, $\text{Cl}^{-}$... disciolti).
2. b) Perché l'acqua distillata quasi non conduce, se la molecola d'acqua ha elettroni?
3. c) Ordina i tre tipi di acqua in base alla loro concentrazione di ioni e collegala alla loro conducibilità.

Tre sostanze presentano queste proprietà. X: fonde a $1538\ \celsius$, conduce allo stato solido e liquido ed è malleabile. Y: fonde a $801\ \celsius$, conduce solo fusa o disciolta ed è fragile. Z: sublima a $-78\ \celsius$, non conduce in nessun caso e forma cristalli teneri.

1. a) Deduci, giustificando, il tipo di legame che predomina in ciascuna sostanza.
2. b) Proponi una sostanza reale che possa corrispondere a ciascuna.
3. c) Per ogni proprietà dell'elenco, indica quale caratteristica della struttura della sostanza la spiega.

In un laboratorio ci sono tre barattoli senza etichetta con polveri bianche: sale da cucina ($\text{NaCl}$), zucchero (saccarosio, una sostanza molecolare) e sabbia ($\text{SiO}_2$).

1. a) Progetta una procedura con tre prove — solubilità in acqua, conducibilità della soluzione e comportamento al riscaldamento intenso — per identificare il contenuto di ciascun barattolo.
2. b) Prevedi il risultato di ciascuna sostanza in ogni prova.
3. c) Spiega ogni risultato a partire dal legame e dalla struttura della sostanza.

Considera queste sostanze e i loro punti di fusione: $\text{CH}_4$ ($-182\ \celsius$), $\text{H}_2\text{O}$ ($0\ \celsius$), $\text{NaCl}$ ($801\ \celsius$), $\text{CaO}$ ($2572\ \celsius$) e $\text{MgO}$ ($2852\ \celsius$). I punti di fusione sono rappresentati nella figura.

1. a) Ordinale dal punto di fusione minore al maggiore.
2. b) Spiega perché il metano e l'acqua, sostanze molecolari, fondono a temperature così basse rispetto ai reticoli ionici.
3. c) Confronta $\text{NaCl}$ con $\text{MgO}$ e $\text{CaO}$: che ruolo hanno le cariche $1+/1-$ rispetto a $2+/2-$?
4. d) Senza conoscerne il dato, prevedi se il punto di fusione di $\text{KCl}$ (ioni $\text{K}^{+}$ e $\text{Cl}^{-}$) sarà più vicino a quello di $\text{NaCl}$ o a quello di $\text{MgO}$, e motiva la risposta.

Sciogli $1\ \text{mol}$ di $\text{NaCl}$ in un litro di acqua e $1\ \text{mol}$ di $\text{CaCl}_2$ in un altro litro. Dato: $N_{\text{A}} = 6,022\cdot10^{23}\ \text{mol}^{-1}$.

1. a) Calcola quante moli di ioni ci sono in totale in ciascuna soluzione.
2. b) Calcola quanti ioni individuali contiene ciascuna soluzione; esprimi il risultato in notazione scientifica con due decimali nella mantissa.
3. c) Ragiona su quale delle due soluzioni condurrà meglio la corrente elettrica.

Le punte che perforano i pozzi di petrolio hanno inserti di diamante sintetico, fabbricato sottoponendo la grafite a pressioni e temperature enormi.

1. a) Spiega perché il diamante è il materiale ideale per tagliare la roccia, a partire dalla sua struttura.
2. b) Ragiona sul perché la grafite, pur essendo lo stesso elemento, non andrebbe bene per quella punta.
3. c) Il diamante non conduce l'elettricità e fonde sopra $3500\ \celsius$: spiega entrambe le proprietà considerando dove si trovano i suoi elettroni.

L'elettrodo negativo delle batterie agli ioni di litio dei cellulari è di grafite: quando si carica il telefono, gli ioni $\text{Li}^{+}$ si alloggiano tra i suoi strati e l'elettrodo, inoltre, deve condurre la corrente. L'alloggiamento degli ioni tra gli strati è mostrato nella figura.

1. a) Spiega, a partire dalla sua struttura a strati, perché la grafite può alloggiare ioni tra di essi.
2. b) Spiega perché la grafite soddisfa il requisito di condurre l'elettricità, a differenza di altri materiali covalenti.
3. c) Ragiona sul perché il diamante non potrebbe essere usato come elettrodo di una batteria.

L'oro è così duttile che con $1\ \text{g}$ si può fabbricare un filo lungo circa $2\ \text{km}$.

1. a) Spiega, con il modello del mare di elettroni, questa estrema malleabilità e duttilità.
2. b) I gioielli sono di oro a $18$ carati, una lega con il $25\ \%$ di rame e argento, perché l'oro puro è troppo tenero: ragiona sul perché atomi di dimensione diversa, inseriti nel reticolo, ostacolano lo scivolamento degli strati e rendono più dura la lega senza toglierle la lucentezza né la conducibilità tipiche dei metalli.
3. c) Confronta questo comportamento con quello di un cristallo ionico quando si deforma.

Elaborato: «Il legame spiega il mondo materiale».

1. a) Scegli il sale, l'acqua, il rame e il diamante e, per ciascuna sostanza, spiega il suo punto di fusione, la sua conducibilità elettrica e la sua durezza a partire dal tipo di legame e dalla struttura che forma.
2. b) Concludi enunciando con parole tue una regola generale che colleghi la struttura di una sostanza (molecole o reticolo cristallino) alle sue proprietà.

Sfida del tema. Come determina la struttura microscopica l'uso domestico dei materiali? Progetta uno studio comparativo tra tre sostanze di casa tua: sale da cucina ($NaCl$), etanolo ($CH_3-CH_2-OH$) e carta d'alluminio ($Al$).

1. Classificazione teorica: Giustifica la stabilità elettronica dei loro atomi e ioni secondo la regola dell'ottetto, identifica il tipo di legame presente in ciascuna sostanza e descrivi le proprietà del gruppo funzionale dell'etanolo.

2. Raccolta di dati a casa: Misura con un termometro da cucina ($\pm 0,5\ ^\circ\text{C}$) l'andamento della temperatura durante l'evaporazione di un tovagliolo imbevuto d'acqua rispetto a un altro imbevuto d'etanolo. Annota la temperatura ogni $30\text{ s}$ per $3\text{ min}$ ($t \pm 1\text{ s}$) e consulta l'entalpia di vaporizzazione ufficiale di entrambi nella banca dati NIST Chemistry WebBook. Attenzione: usa una piccola quantità di etanolo (infiammabile), in un ambiente ventilato e lontano da fiamme, fornelli accesi o fonti di calore.

3. Elaborazione dei dati: Costruisci una tabella con i valori e le incertezze e traccia il grafico $T = f(t)$. Calcola la pendenza media di raffreddamento ($\Delta T / \Delta t$) e collega la volatilità ai legami intermolecolari.

4. Prodotto finale: Redigi una relazione ragionata (massimo una pagina) che confronti volatilità, conducibilità e punti di fusione dei tre materiali in base al loro legame (ionico, covalente molecolare e metallico).

Verrà valutato:

• Rigore nello spiegare la stabilità elettronica, i tipi di legame e il gruppo funzionale.

• Precisione nella raccolta delle misure sperimentali, espressione delle incertezze e qualità grafica.

• Coerenza nella giustificazione delle proprietà macroscopiche a partire dal legame chimico.